选煤厂自动化系统升级改造

张 林

（永煤集团顺和煤矿，永城 476600）

顺和煤矿是永煤集团在河南省商丘市永城投资建设的第5座现代化矿井，始建于2011年，于2012年12月调试完成交付使用。现阶段该自动化系统难以满足矿井需求，存在诸多问题。在信息化时代下，顺和煤矿选煤厂始终坚持提升设备机械化、自动化及智能化水平，推广应用新技术、新工艺和新设备，以降低职工劳动强度，实现高效生产。因此，文章将重点阐述对自动化系统的升级改造。

1 选煤厂现有控制系统结构

顺和洗煤厂采用Rockwell的ControlLogix控制系统与FactoryTalk上位机操作系统，形成了一个集EtherNet、DeviceNet和Modbus网络的相对完善的控制系统，完成了对整个选煤厂的配电系统的控制及监视、机电设备的控制及运行监视、各种开关量及模拟量的报警、数据采集、数据记录、发展趋势以及报表生成等。

选煤厂现有控制系统的上位机操作系统采用分布式布局。它包括1个喷淋系统工程师站、1个选煤系统工程师站、1个压滤系统上位机、1个E3上位机、2个集控操作员站、2个皮带秤及灰分仪系统（需要单独成立系统，不在此次上位机改造系统中）[1]。现场的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）通过以太网将数据传至集控室的上位机。

2 系统存在的问题

2.1 集控中心监控系统面临的问题

集控中心监控系统目前主要面临5个问题。第一，Windows XP工控机升级遇到驱动不支持，只能升级到Windows 7，导致对应的上位机软件需要重新开发。第二，工控机系统损坏。上位机运行软件无法恢复至停机前状态，导致工艺参数需要重新调整。第三，工控机更换需要花费较长时间安装操作系统、编程软件、上位机开发软件、上位机运行软件以及Office软件，且安装软件后涉及软件授权和激活问题。第四，工控机硬件故障。由于电子器件升级而无法买到备件，需要将原硬件升级到当前的主流配置，对应的系统升级到Windows 10，导致原系统和上位机软件无法运行。第五，现场存在多个系统，如洗选、压滤、除尘及水处理等系统，需要整合这几个系统，存在数据无法及时共享的问题[2]。

2.2 PLC控制系统面临的问题

PLC控制系统涉及5大子系统，因此采用分布式输入/输出（Input/Output，I/O）布局。中央处理器（Central Processing Unit，CPU）位于原煤仓车间的PLC机架上，各远程分站通过交换机的光纤环网通信。

PLC控制系统运行目前主要面临以下4个问题。第一，目前全厂控制系统采用单机CPU，当CPU发生故障时，整个系统将无法正常运行，会影响全厂的正常生产。第二，CPU自身内存容量为4.0 MB，目前已经使用3.5 MB。对目前系统I/O容量而言，运行内存不足，偶尔出现CPU死机现象，容易造成系统停机。另外，考虑今后系统扩容问题，目前CPU已无法满足系统要求。第三，由于CPU机架采用单一网络模块与I/O层和监控层设备进行通信，一旦该模块出现故障或者网络链路出现故障，会造成整个系统存在停机风险。第四，电动机保护采用E3plus（智能马达保护器），通过DeviceNet网络监视电机的各项电流和诊断参数等。此产品已淘汰，而新产品是E300（智能马达保护器），主要包括DeviceNet、EtherNet/IP网络规划及组态。但是，上位机软件版本较低，无法满足新产品的通信要求[3]。

3 升级改造方案

3.1 集控中心监控系统升级

为了解决工控机硬件升级带来的原有软件不兼容问题，将洗煤厂多个上位机整合到一个系统，最大限度地降低现场维护难度，现拟升级改造原有的6台独立上位机工控机。本次改造计划使用一款全集成、可预配置及可预测试的超融合架构的工业私有云（Industrial Private Clouds，IPC）平台，支持微软Hyper-V虚拟机和WitLinc WiP2V软件，实现一体化的互联网技术（Internet Technology，IT）与操作技术（Operation Technology，OT）的融合[4]。通过WL-820B-A存储虚拟化ASAN，能够使存储容量随着集群节点数量的增多而增大，同时实现性能的叠加、弹性扩展、服务质量（Quality of Service，QoS）以及集中管理功能，可以更快、更好、更简单地为各种工业控制负载提供数据保障，见图1。

图1 升级后的工业数据中心方案

3.2 PLC系统升级

为了解决单CPU故障对全厂生产造成的巨大影响，现计划升级CPU，由原来的单CPU升级为冗余CPU，无须变更下位机I/O模块，可较小改动程序，达到冗余目的。单CPU与升级冗余后CPU的对比。当可用性为99.9%、可能停机时间为8.760 h时，为标准的CPU；当可用性为99.999%、可能停机时间为0.088 h时，为冗余的CPU。

单CPU每年因CPU造成的停机时间为8.76 h，升级到冗余CPU后，每年因CPU造成的系统停机时间缩短至约5.28 min（即0.088 h）。

原系统CPU的点数较多，升级到冗余系统后，需要处理器内存有足够余量，可以存储2倍的标签数据和2倍的I/O内存。

4 升级后工业数据中心功能和特点

4.1 硬件部分

工业数据中心在紧凑型机箱内可配置3～64个计算节点和存储节点，并配置相应的网络交换节点、电源节点和安全节点。

4.1.1 计算节点主机

Intel Xeon Processor系列CPU，主机配备32～256 GB物理内存，存储节点为8～24盘位工业存储，并支持工业级热插拔磁盘。硬盘标配8～128 TB，可扩展。

4.1.2 计算节点集成的千兆WiNet网卡

计算节点集成的千兆WiNet网卡，可自动识别Modbus TCP、S7 Net、EtherNet、网际互连协议（Internet Protocol，IP）以及对象链接与嵌入的过程控制（Object Linking and Embedding for Process Control，OPL）等工业通信协议。网络交换节点配备2～4台高性能可堆叠工业级交换机，同时电源节点配备最小3 kVA容量不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）和电池组。

4.2 软件部分

工业数据中心软件部分包括虚拟化平台、Web管理页面、多系统画面切换、统一报警信息提醒、统一数据连接接口、子系统操作记录查询以及关键历史数据查询等内容。

工业数据中心虚拟化平台结合工业现场应用需求，从虚拟化平台底层融入适合工业现场安全稳定运行的元素，从而有效保证工业生产业务连续稳定运行[5]。

4.2.1 工业数据对内存的作用

全新的工业数据中心可以提供更广泛的设备支持方法，如对大容量内存的支持和提升安全性，并能够承载更多的虚拟机运行实例。

4.2.2 对工业环境的操作系统支持

为了更好地满足工厂现有的IT环境和未来的IT发展趋势，广泛支持在虚拟化环境中同时运行不同类型的操作系统，包括32位和64位的多种不同服务器平台操作系统，如Windows 2000、Windows XP、Windows 7、Windows Server以及Linux等操作系统。

4.2.3 对称多处理器支持

以对称多处理器（Symmetrical Multi-Processing，SMP）为工业服务器，在一个虚拟机环境中最多支持64个虚拟处理器，具有感受多线程应用程序的性能优势。

4.2.4 网络负载均衡

全新的虚拟交换功能可用简单的方法配置运行Windows网络负载均衡（Network Load Balancing，NLB）服务，以均衡不同服务器多个虚拟机的负载。

4.2.5 高可用性

数据中心包括可与故障转移群集配合使用的增强特性，以确保在Windows虚拟化运行的虚拟机具有高可用性。与故障转移群集使用时，工业数据中心使得管理员能够以最少的服务中断响应计划停机的需求和回应意外停机。具体性能包括不停机迁移虚拟机、不停机迁移虚拟存储、虚拟机复制和网卡组合等功能。

4.3 ControlLogix冗余控制系统

4.3.1 冗余系统的硬件组成

冗余系统的硬件组成由处理器1756-L7x，以太网模块1756-EN2T、1756-EN2TR、1756-EN2F和1756-EN2TP，冗余模块1756-RM2和冗余光纤1756-RMC1等组成。

4.3.2 以太网模块IP地址自动切换

与主从以太网模块的互联网协议(Internet Protocol，IP）地址设置相同，同步后从站IP自动加1，人机接口（Human Machine Interface，HMI）与主站通信的IP地址不变，见图2。

图2 以太网模块IP地址自动切换

4.3.3 在线扩展和升级冗余系统

在线扩展和升级冗余系统可实现冗余系统不停机、在线添加I/O模块或者通信模块、在线刷新固件以及在线升级硬件模块。

4.3.4 冗余实现简单

实现冗余系统无须额外编程，无须组态冗余模块和从站机架，自动程序交叉加载和同步，不必维护两套主从控制器程序等。

5 结果、经济及效益分析

通过升级改造集控中心监控系统、现场PLC单机及冗余系统的自动化，可提高系统的稳定性和可靠性，有利于在生产过程中优化工艺参数和智能操作，提高产品质量和工作效率，使得设备维护保养更加便捷，提高设备使用性能和自动化程度，减少设备安全隐患的发生，降低员工劳动强度，减少人工成本开支，节约能源，增加煤矿的经济效益。

6 结语

随着我国经济的快速发展，各行各业向着自动化和智能化发展。自动化技术有利于提高企业的生产、安全、经济效益和社会效益。升级改造后的Rockwell的ControlLogix控制系统与FactoryTalk上位机操作系统，自2021年6月试运行至2021年8月正式投入使用以来，性能安全稳定，获得了用户的一致好评。